高分子聚合物減阻類型及影響因素探討

霍苗苗，柴清平，張忠政，崔廣建，劉太和，郭客

高分子聚合物減阻類型及影響因素探討

霍苗苗1，柴清平1，張忠政2，崔廣建2，劉太和2，郭客1

（1. 鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 鞍山 114000；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司露采分公司，遼寧 遼陽 111000）

介紹了減阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展，系統(tǒng)討論了高分子減阻劑，包括減阻現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理，聚合物的分子結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量以及溶劑對高分子聚合物減阻劑的影響。

減阻技術(shù)；高分子聚合物；分子結(jié)構(gòu)

1 前言

1.1 減阻劑簡介

FORREST[1]等首次報(bào)道了纖維懸浮湍流管道中的能源損失減少。后來，MYSELS[2]發(fā)現(xiàn)，通過添加一種陰離子表面活性劑（鋁二酸皂），汽油管道流動的摩擦阻力明顯減小，這是首次被認(rèn)可的減阻劑。在進(jìn)行聚合物降解研究的同時，TOMS[3]觀察到在氯苯中加入長鏈聚合物（聚甲基丙烯酸甲酯）可降低80%的湍流摩擦阻力。他指出聚合物是有效的減阻劑，在恒定的壓力變化下，加入聚合物可以提高液體流速。他將阻力比表達(dá)為同一管道中相同流速下減阻液的壓力差與溶劑的壓力差之比。任何阻力比小于1的流體都是減阻流體。

=?/?s。 （1）

因此減阻率可以定義為：

= （1-）×100% 。 （2）

高分子減阻的首次商業(yè)應(yīng)用是將原油從阿拉斯加的北坡輸送到阿拉斯加南部的瓦爾迪茲。由于鋁二酸皂的抗剪切能力差，因此不適合作減阻劑。后來發(fā)現(xiàn)表面活性劑加入到水相系統(tǒng)中可有效減阻，并且抗剪切能力強(qiáng)，可循環(huán)利用。SAVINS[4]發(fā)現(xiàn)陰離子表面活性劑具有良好的減阻性能且穩(wěn)定性好，但存在易沉淀和起泡的問題。ZAKIN[5]等發(fā)現(xiàn)非離子表面活性劑的有效減阻溫度范圍很窄，限制了它們的應(yīng)用。CHOU[6]指出，陽離子表面活性劑具有更寬的有效減阻溫度范圍，抗剪切能力強(qiáng)，不易起泡，因此更有效實(shí)用。

1.2 減阻劑應(yīng)用

減阻劑（DRAs）的應(yīng)用大大降低了系統(tǒng)的能量損耗，增加了運(yùn)輸流量。減阻劑的第一個著名應(yīng)用是1979年穿越阿拉斯加（TAPS或Alyeska）管道的原油運(yùn)輸。管道長800英里，直徑48英寸。在泵站下游注入高相對分子質(zhì)量聚合物的濃縮溶液，減阻劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 mg·kg-1，運(yùn)輸量增加了30%。聚合物減阻劑也成功應(yīng)用于其他國家管道輸送，如伊拉克—土耳其、澳大利亞的巴斯海峽、孟買近海和北海近海輸油管道以及成品油氣生產(chǎn)線。

聚合物減阻劑的應(yīng)用范圍較廣，包括油田作業(yè)、泥漿或液壓膠囊管道運(yùn)輸、增加消防設(shè)備中的水流和水射流聚焦、防止暴雨后污水系統(tǒng)中的水溢出、增加水電和灌溉系統(tǒng)中水的體積流量。

表面活性劑類減阻劑可用于區(qū)域加熱或冷卻系統(tǒng)（DHC）。循環(huán)水消耗能量約占DHC系統(tǒng)總能耗的15%。為了降低這一能耗需求，可通過減少循環(huán)水系統(tǒng)中的摩阻損失來實(shí)現(xiàn)。表面活性劑可以降低泵的50%~70%能量需求，效果取決于使用的表面活性劑種類。如果管道的分支較少，或管道較長，或配件（如閥門、彎頭等）數(shù)量較少，減阻劑發(fā)揮的作用更大。

現(xiàn)場試驗(yàn)表明，表面活性劑類減阻劑可用于小區(qū)的供熱系統(tǒng)中，可大幅度減少管道流動能量。羅興[7]等發(fā)現(xiàn)在集中供熱與空調(diào)水輸配系統(tǒng)中使用添加劑，在降低系統(tǒng)水泵能耗的同時還可以提高系統(tǒng)輸送量，從而降低系統(tǒng)投資成本。表面活性劑減阻應(yīng)用到DHC系統(tǒng)外，還可以防止管道輸送引起的局部腐蝕。表面活性劑不僅能在恒定的雷諾數(shù)下降低管壁剪切力，而且還能抑制壁面附近的湍流渦流。湍流對壁面的反復(fù)沖擊造成間歇性應(yīng)力，導(dǎo)致管道的機(jī)械損傷。

2 高分子聚合物減阻

2.1 減阻類型

在稀溶液中，湍流區(qū)域的減阻發(fā)生在起始雷諾數(shù)以上，其摩擦因子低于普通牛頓流體。當(dāng)雷諾數(shù)小于起始值時，無減阻現(xiàn)象。 對于濃度高的聚合物溶液，可延長層流區(qū)達(dá)到減阻效果。在低雷諾數(shù)下，減阻發(fā)生的初始條件為層流-湍流不發(fā)生轉(zhuǎn)變，并延長層流區(qū)域，其摩擦因子低于相同雷諾數(shù)下的普通牛頓湍流。

初始階段，阻力減少隨著流量的增加而增加，直到達(dá)到臨界壁面剪應(yīng)力[8-9]。此時管壁區(qū)域的聚合物降解速率超過了該區(qū)域聚合物的恢復(fù)速率，減阻效果開始減弱。這兩種減阻的區(qū)別在于減阻發(fā)生的區(qū)域不同。前者開始于完全湍流區(qū)，后者出現(xiàn)在延長層流區(qū)。VIRK等將這兩種類型減阻稱為A型和B型減阻[10]。

2.2 初始減阻

VIRK[11]認(rèn)為，流體在管內(nèi)湍流流動時，緊靠壁面的一層流體為黏性底層，其次為彈性層，中心為湍流核心。他通過試驗(yàn)測得速度分布，發(fā)現(xiàn)減阻劑溶液湍流核心區(qū)的速度與純?nèi)軇┫啾却罅四硞€值，但速度分布規(guī)律相同，而且彈性層的速度梯度增大，導(dǎo)致阻力減小。

對于無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)的聚合物溶液，管壁剪切力或剪切速率達(dá)到一定值后，減阻才會發(fā)生，這便是初始減阻。其發(fā)生機(jī)理可能是聚合物分子在延伸流動區(qū)域的拉伸或眾多分子纏繞而達(dá)到湍流漩渦的大小。VIRK[11]發(fā)現(xiàn)，初始剪切力不取決于管徑大小。同一聚合物溶液在不同管徑下具有不同的初始雷諾數(shù)，反映了初始剪切力或剪切速率。因此，初始減阻由初始剪切力和剪切速率來決定更為合適。

在預(yù)測初始減阻現(xiàn)象時，研究人員提出3種假設(shè)，即長度尺度、時間尺度和應(yīng)變儲能模型。 VIRK[12]等提出了長度尺度模型，當(dāng)聚合物長度尺度（回轉(zhuǎn)半徑）與湍流長度尺度的比值達(dá)到一定值時，就會發(fā)生減阻情況。 在時間尺度模型中，當(dāng)時間比（或Deborah數(shù)）接近1時，減阻現(xiàn)象開始出現(xiàn)。時間比是指聚合物弛豫時間和湍流時間尺度的比值。大多數(shù)研究人員傾向于時間尺度模型說法，因?yàn)樵诔跏茧A段，聚合物的尺寸比湍流渦流尺寸小幾個數(shù)量級，而聚合物弛豫時間與湍流時間尺度大致相同[13]。在基于高斯珠彈簧理論的應(yīng)變儲能模型中，KOHN[14]認(rèn)為聚合物分子在靠近管壁面的高剪切力作用下儲存能量，并在輸送到核心低剪切區(qū)時通過弛豫釋放能量。

2.3 最大減阻曲線

早期的研究報(bào)告指出低濃度聚合物溶液存在最大減阻曲線。根據(jù)VIRK的假說，減阻劑濃度增大，彈性層厚度也增大，當(dāng)彈性層擴(kuò)展到管軸時，減阻達(dá)到了極限。該假說成功地解釋了最大減阻現(xiàn)象。通常，當(dāng)濃度為幾十或數(shù)百mg·kg-1時，可以實(shí)現(xiàn)最大減阻[15]。CASTRO等研究了兩種不同相對分子質(zhì)量的聚乙烯氧化物，并用以下方程作為最大減阻曲線[16]。

其中，C為范寧摩擦因子，Re=ρUD/，溶劑密度，溶劑的動態(tài)黏度，U為平均速度，為管道內(nèi)徑。

VIRK[17]將不同聚合物溶液的流動數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，得到了最大減阻曲線（MDRA）方程。

或 Cf≈0.58Re-0.58-(4 000≤Re≤40 000)。（5）

此外，VIRK等從式（4）推導(dǎo)出流體速度分布，提出了湍流區(qū)減阻流體的模型，類似于牛頓流體的模型。可概括為無量綱形式：

黏性底層：（0<+<11.6）

+=+。 （6）

+=2.5ln++5.5Δ。 （7）

其中是流體的運(yùn)動黏度。

VIRK等將減阻流體的速度模型和任何雷諾數(shù)下的牛頓流體的速度剖面進(jìn)行比較，提出了最大彈性邊層的速度剖面曲線。

+=11.7ln+-17 。 （10）

對于大多數(shù)聚合物溶液，減阻曲線（摩擦因子和平均速度）位于以牛頓線和VIRK線為界的區(qū)域。

3 高分子減阻影響因素

3.1 相對分子質(zhì)量效應(yīng)

當(dāng)聚合物相對分子質(zhì)量小于105時，一般無法達(dá)到減阻效果。因此，聚合物達(dá)到一定相對分子質(zhì)量后才具有減阻效應(yīng)，也成為起始相對分子質(zhì)量。對于給定的濃度和雷諾數(shù)，減阻效果隨平均相對分子質(zhì)量的增加而增加。VIRK[19]認(rèn)為，對于相同的聚合物種類，相對分子質(zhì)量的增加導(dǎo)致起始剪切應(yīng)力的降低。帕特森和阿伯納西指出，聚合物溶液中，相對分子質(zhì)量最高的物種主要決定了減阻效果。JACOBS[20]等利用現(xiàn)代凝膠滲透色譜技術(shù)進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。HUNSTON[21]等采用virk-Little關(guān)系曲線表達(dá)特性減阻率DR、特性濃度與的關(guān)系。

DR/=(-) 。 （11）

HUNSTON還提出最高相對分子質(zhì)量的聚合物主要決定了起始剪應(yīng)力。他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) 2.5 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高相對分子質(zhì)量聚苯乙烯（710萬）和25 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低相對分子質(zhì)量聚苯乙烯（180萬）混合使用時，減阻效果幾乎與單獨(dú)使用聚苯乙烯（710萬）相同。然而，當(dāng)?shù)拖鄬Ψ肿淤|(zhì)量聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到100 mg·kg-1時，低相對分子質(zhì)量聚合物對混合物的減阻效果做出貢獻(xiàn)。ZAKIN曾利用兩個窄相對分子質(zhì)量分布（2M+7M）的混合聚苯乙烯研究減阻率與相對分子質(zhì)量分布的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對減阻率起決定作用的是高相對分子質(zhì)量部份的分子。

3.2 濃度效應(yīng)

一般來說，在固定流速下，減阻隨著聚合物濃度的增加而增加，直到達(dá)到一定的濃度，這個濃度通常稱為飽和濃度，當(dāng)溶液高于此濃度，減阻效果開始下降。隨著濃度的增加，起初的減阻增加可能是由于聚合物分子的增加，導(dǎo)致湍流渦流的減少[18]。當(dāng)溶液濃度達(dá)到飽和濃度后，減阻的降低是由溶液黏度的增加引起的。濃度與隨機(jī)卷繞聚合物溶液的減阻效果有定量關(guān)系。減阻溶液摩阻曲線的斜率與溶劑的斜率之差稱為斜率增量。VIRK[19]認(rèn)為減阻斜率增量與聚合物濃度的1/2次冪成正比。

=/(/)1/2。 （12）

其中是斜率增量。

3.3 分子結(jié)構(gòu)和溶劑效應(yīng)

SELLIN[22]等發(fā)現(xiàn)，沒有分支的線性聚合物比其他聚合物能更有效的減阻。聚氧乙烯和聚二甲基硅氧烷是兩種最有效的聚合物減阻劑。聚合物溶液是否能夠減阻取決于單個分子在流體中的應(yīng)力拉伸。聚合物的分子構(gòu)象會導(dǎo)致不同類型的減阻。對于柔性較差的無規(guī)線團(tuán)聚合物，通常減阻從層流到湍流發(fā)生轉(zhuǎn)變，并最終在湍流區(qū)域發(fā)生。另一方面，柔性聚合物通常不表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)變。減阻現(xiàn)象發(fā)生在擴(kuò)展的層流區(qū)域。這可能是因?yàn)樵趯恿骰蜻^渡區(qū)已經(jīng)達(dá)到了起始剪切速率或剪切應(yīng)力。

Meier研究了氫化聚異戊二烯的結(jié)構(gòu)對原油的減阻效果，發(fā)現(xiàn)它在原油中的溶解性、抗剪切性能和減阻能力和分子鏈的剛?cè)嵝杂嘘P(guān)。分子鏈柔性增強(qiáng)，其減阻效率也會提高。高許多學(xué)者通過改變聚合物分子與溶劑之間的相互作用來研究分子構(gòu)象對減阻的影響。HERSHEY[9]等發(fā)現(xiàn)在良好的溶劑環(huán)己烷中，聚異丁烯的減阻能力優(yōu)于較差的溶劑苯。他們指出，良溶劑的減阻作用大于不良溶劑的減阻作用，后者可使聚合物分子在溶液中更自由地膨脹，而不良溶劑的分子體積較小。

HUNSTON[21]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚合物分子溶解在更好的溶劑中時，減阻現(xiàn)象發(fā)生得更早。在較差的溶劑中，聚合物機(jī)械降解比在良好的溶劑中更快。

3.4 聚合物減阻穩(wěn)定性

聚合物作為減阻劑有一個嚴(yán)重的缺點(diǎn)，就是在高剪切或拉伸應(yīng)力下會永久降解。高相對分子質(zhì)量的聚合物有易降解的特性，機(jī)械降解速率隨相對分子質(zhì)量的增加而增大。這一缺點(diǎn)阻止了聚合物在再循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用，在這種系統(tǒng)中，泵中的高剪切應(yīng)力不可逆轉(zhuǎn)地降解高相對分子質(zhì)量分子。SOHN[23]等研究了不同介質(zhì)中（去離子水和NaCl鹽溶液）不同相對分子質(zhì)量的黃原膠的減阻特性以及抗剪切特性，發(fā)現(xiàn)其減阻特性在鹽溶液中比在去離子水中更穩(wěn)定。這主要是因?yàn)镹aCl的添加導(dǎo)致黃原膠分子構(gòu)象發(fā)生變化，Na+與黃原膠分子側(cè)鏈結(jié)合，消除分子鏈上負(fù)電荷產(chǎn)生的斥力，分子鏈會發(fā)生無序到有序的轉(zhuǎn)變，其中主鏈呈螺旋構(gòu)象，帶電的三糖側(cè)鏈將重構(gòu)回到主鏈上，從而穩(wěn)定有序構(gòu)象。

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Study on Reluctance Reduction Types and Influencing Factors of Polymer

1,1,2221

（1. Ansteel Group Mining Design and Research Institute, Anshan Liaoning 114000, China;2. Ansteel Group Mining Gongchangling Co., Ltd. Open Mining Branch, Liaoyang Liaoning 113001, China）

The discovery and development of drag reduccution were introduced, and the mechanism of drag reduction, the molelar structure, molecular weight as well as influence of solvent on the resistance reducer of polymer were systematically discussed.

Drag reduction; Macromolecule polymer; Molecular structure

2020-08-07

霍苗苗（1992-），女，遼寧省鞍山市人，二級工程師，碩士研究生， 2017年畢業(yè)于中南民族大學(xué)，研究方向：礦用化學(xué)材料。

TQ021

A

1004-0935（2021）01-0042-04